Ökonomische Qualitätssicherung

Ralf Zimmermann, Sales & Marketing, Chromasens GmbH, Konstanz

Beispiele aus vielen Industriebereichen, von der Klassifizierung unterschiedlichster Rohstoffe und Materialien, wie sie zum Beispiel bei der Qualitätskontrolle von Holz, Fliesen oder Textilien stattfindet, bis hin zur Überprüfung des Reifegrades von Gemüse und Obst, betätigen die oft großen Vorteile von Zeilenkameras.

Sehr oft werden farbige Erzeugnisse noch mit monochromen Zeilenkameras erfasst. Das macht dort Sinn, wo der Helligkeitsunterschied zwischen den Farben stark ausfällt und somit eine klare Differenzierung möglich ist. Dabei haben unterschiedliche Farben aber sehr häufig denselben Helligkeitswert. Dies hat zur Folge, dass die Farbunterschiede bei Erzeugnissen durch eine reine Helligkeitsanalyse nicht erkannt werden können. Durch solch eine fehlerbehaftete Inspektion können Mängel an Erzeugnissen schlicht übersehen werden. Trotz Qualitätskontrolle gelangen damit immer noch mangelhafte Erzeugnisse zum Kunden. In sehr vielen Industriesegmenten ist der Einsatz von Farbzeilenkameras inzwischen nicht mehr wegzudenken. Mit Zeilenkameras in Farbe lassen sich aufgrund einer höheren Informationsdichte zahlreiche Auswertungsmöglichkeiten nutzen, die in Grauwertbildern nicht gegeben sind. Generell bietet Farbe hier ein erstklassiges Qualitätsmerkmal. Insbesondere bei Druckerzeugnissen spielt die Farbe eine sehr wichtige Rolle. Hier müssen Farbunterschiede mit hoher Genauigkeit erfasst werden (z. B. bei Verpackungen, Magazinen, Broschüren, Formularen, Lotteriescheinen, Tapeten etc.). Inzwischen sind auch Hard- und Software in der Lage, die enormen Datenmengen, die sich aus Farbscans ergeben, zu verarbeiten. In der Nahrungsmittelindustrie, wo beispielsweise der Reifegrad von Obst und Gemüse begutachtet wird, ist die hoch aufgelöste Farbinformation der Schlüssel zu einer stabilen Inspektion. Kleinste Farb- und Helligkeitsunterschiede, welche zu einer Reifegrad-Klassifizierung schon ausreichen, können hier nur von einer Farbkamera erst wirklich befriedigend aufgelöst werden. Da hier eine 100% Kontrolle der Ware erforderlich wird, ist der Einsatz von Farbzeilenkameras nahezu unumgänglich. Die qualitative Klassifizierung unterschiedlichster Rohstoffe und Materialien, wie sie zum Beispiel bei der Qualitätsüberprüfung von Holz, Fliesen oder Textilien stattfindet, kann nur vernünftig und somit zufrieden stellend mit einer farborientierten Bildanalyse erfolgen. Man kann festhalten, dass ein besonderer Zusatznutzen durch den Einsatz von Farberfassungstechnik immer dann erzielt wird, wenn die Ware nach Güteklassen unterschieden werden soll. Leichte Unregelmäßigkeiten in der Beschaffenheit eines Materials lassen sich durch eine Farbanalyse hervorragend zur Klassifizierung nutzen. Farbzeilenkameras sind somit überall dort die optimale Lösung, wo der Helligkeitsunterschied zwischen verschiedenen Farben zu schwach ist. Monochrome Zeilenkameras sind dann die richtige Wahl, wenn es ausschließlich auf die Prüfung der Menge ankommt oder Abmessungen überprüft werden sollen.

Zeilenkameras zeichnen sich durch sehr große Bildauflösungen im Vergleich zu Flächenkameras aus. Bei Zeilenkameras wird jeweils nur die Zeile beleuchtet, die gerade eingelesen wird. Ein schmaler Ausschnitt wird für einen kurzen Moment belichtet und erfasst. Bei einem Flächensensor muss dagegen ein sehr großer Bereich (z. B. Dokument, Fließband) belichtet und erfasst werden. Mit Zeilenlängen von bis zu 15.000 Pixeln lassen sich – im Vergleich zu Flächenkameras – wesentlich größere Objekte aufnehmen oder die Objekte mit einer größeren Bildauflösung aufnehmen. Flächenkameras hingegen haben ihren Vorteil in der gleichzeitigen Belichtung der gesamten Bildfläche. Die Anforderungen an ein geeignetes Beleuchtungssystem sind allerdings sehr hoch, weshalb Flächenbeleuchtungen vielfach sehr teuer werden können. Insbesondere Farbzeilenkameras sind für die Druckprozessüberwachung wie geschaffen, zumal gerade hier sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten Alltag sind. Im Vergleich zu Flächenkameras erzeugen Zeilenkameras einen kontinuierlichen und lückenlosen Bilddatenstrom. Dies ist für eine lückenlose Bahnwaren-Inspektion eine zwingende Voraussetzung. Eine Aneinanderreihung von Flächenkameras, um bei großen Bahnbreiten das gesamte Band erfassen zu können, wird von zahlreichen technischen Problemen begleitet, die letztlich dazu führen, dass sich Zeilenkamerasysteme insgesamt wirtschaftlicher darstellen. Somit sind immer dort, wo eine lückenlose Beobachtung gewünscht ist, Zeilenkameras technisch und wirtschaftlich unabdingbar. In Applikationen, in denen nur zeitlich begrenzte, sehr schnelle Bewegungen oder kleine Bereiche gescannt werden sollen, sind Flächenkameras im Vorteil. Flächenkameras werden z.B. zur Inspektion beim Einlegen von Blechplatinen in eine Presse in der metallverarbeitenden Industrie benötigt. Beide Kameratypen haben ihre Berechtigung, jedoch können intelligente Zeilenkameras dank leistungsstarken FPGAs inzwischen schon viele Vorteile und Funktionen aufweisen, die bislang nur mit Flächenkameras realisierbar waren. Hierdurch werden dem Anwender neuartige Möglichkeiten geboten.

Ein FPGA (=Field Programmable Gate Array) ist das digitale Herzstück einer Zeilenkamera. Zeilenkameras mit sehr hochwertigen Bildqualitäten besitzen in der Regel sehr leistungsstarke FPGAs. Sehr viele Bildoptimierungs-, Regelungs- und Vorverarbeitungsprozesse können dank der FPGAs bereits innerhalb des Kamerasystems durchgeführt werden. Es entstehen oft neue, einzigartige Features, in der Regel mit dem Ziel, die Bildqualität durch Regelungs- oder Korrekturverfahren zu stabilisieren und zu optimieren. Dies ist das Fundament für eine zufrieden stellende Qualitätskontrolle. Kunden- und applikationsorientierte Wünsche können nun vom Anwender leichter in das Gesamtsystem eingebracht werden. Dies führt wiederum zu Kosteneinsparungen und zu schnelleren Realisierungszeiten. Einen „Region of Interest Mode“ kannte man in der Vergangenheit nur bei Flächenkameras Inzwischen gibt es Zeilenkameras, die ähnlich wie Flächenkameras funktionieren. Es existieren damit dieselben Möglichkeiten wie bei einer Flächenkamera.

Der Anwender hat nun die Möglichkeit, einen Frame Mode zu nutzen. Wie bei den Flächenkameras kann nun die Übertragung eines wahlfreien Bildausschnittes über die Kamerasoftware ermöglicht werden. Dies reduziert die zu übertragende Datenmenge beachtlich. Die Position und die Größe eines von der Kamera erfassten Bereichs kann vom Anwender frei gewählt werden. Der Startpunkt der Übertragung lässt sich – gesteuert durch externe Signalen und andere Parameter– von Bild zu Bild neu festgelegen.

Als Synonym für eine verbesserte Bildqualität sowie für eine deutliche Zeitersparnis ist die Kontinuierliche Weißregelung. Mit einer Weißregelung werden Helligkeits- und Farbänderungen durch Aufwärmeffekte oder Alterungseffekte der verwendeten Beleuchtung erfasst und ausgeglichen. Mit gewöhnlichen Zeilenkameras müssen während des Produktionsprozesses Anlagenstopps zum Abgleich der Weißreferenz durchgeführt werden, um Veränderungen der Beleuchtung auszugleichen. Inzwischen gehört dies der Vergangenheit an. Durch eine „Kontinuierliche Weißregelung“ werden Helligkeitsänderungen sofort erkannt und unmittelbar durch Veränderung der Verstärkungswerte (Gain-Werten) in der Kamera ausgeregelt.

Zeilenkameras der neuen Generation bieten ihren Anwendern die Option, Triggersignale und Inkrementalgeber direkt an die Kamera zu koppeln. Durch die Anbindung eines Drehgebers an die Kamera wird die tatsächliche Transportgeschwindigkeit direkt an die Kamera übermittelt. Dadurch vereinfacht sich das Handling bei dessen Anschluss. Die Konfiguration findet nun direkt über die Kamerasoftware statt. Der zusätzliche Programmieraufwand entfällt, welcher anfallen würde, wenn man den Drehgeber direkt an einen Framegrabber koppeln würde. Durch die Kopplung eines Triggersignals an die Kamera, z. B. durch eine Lichtschranke, hat der Anwender nun die Möglichkeit dessen Konfiguration über die Kamerasoftware zu steuern. So besteht die Option zu einem Bildaufnahmestart durch das Triggersignal. Die Bildgröße kann der Anwender ganz einfach über den „Region of Interest Mode“ einstellen. Eine weitere Möglichkeit ist der Bildaufnahmestart und -stopp über die Triggersignale. So werden Objekte ungleicher Länge einfach erfasst. Die Lücken zwischen den Erzeugnissen werden dadurch von der Kamera erkannt und erst gar nicht an den Framegrabber weitergegeben. Dies entlastet die nachfolgende Bildverarbeitung enorm. Unnötige Bildinformationen werden erst gar nicht übertragen und müssen somit nicht wieder ausgewertet werden.

In der Regel haben leistungsstarke Zeilenkameras sehr umfangreiche Gain & Offset Korrekturen integriert. So findet im Normalfall schon eine werkseitige, kamerainterne Analog-Offset-Korrektur statt, um das Dunkelrauschen zu reduzieren. Eine zusätzliche Analog-Gain-Korrektur findet, wie schon erläutert, durch eine „kontinuierliche Weißregelung“ statt. Die Einstellung erfolgt über die Kamerasoftware. In der Regel haben qualitativ hochwertige Zeilenkameras zusätzlich eine digitale Offset- und Gain-Korrektur integriert. Diese Korrekturen sind unabdingbar, um die Bildqualität signifikant zu verbessern. Üblicherweise kennt man diese Korrekturverfahren unter dem Namen „Shading Korrektur“. Hierbei hat der Benutzer die Möglichkeit, über die Kamerasoftware für jedes Pixel einen eigenen Offset- und Gain-Wert zu generieren, um die Inhomogenitäten bedingt durch Beleuchtung und Optik auszugleichen. Üblicherweise hat der Anwender noch zusätzliche Optionen für ein weiteres Feintuning bei den Offset- und Gain-Werten, um damit die gewünschte, hochwertige Bildqualität erreichen zu können.

Korrektur- und Kompensationsmöglichkeiten innerhalb eines Kamerasystems sind wichtige Bestandteile in der Bilderfassung. Vielfach wird allerdings die Wichtigkeit der richtigen Beleuchtung unterschätzt. Nur wenn alle Komponenten innerhalb eines Bilderfassungssystems an die Aufgabenstellung angepasst sind, können auch entsprechend zuverlässige und hochwertige Ergebnisse erwartet werden. Die Wahl der richtigen Beleuchtungskomponente ist eine sehr wichtige Aufgabenstellung. Die Homogenität, die spektrale Verteilung wie auch die Lichtintensität sind wichtige Kriterien in der Auswahl. Auch wenn viele Probleme durch verschiedenartige Kalibrierungen entschärft werden können, so ist diejenige Bildinformation, die durch die Schwächen der Beleuchtung nicht dargestellt werden kann, für die nachfolgende Bilderfassung und -verarbeitung verloren. Die Folge ist eine fehler- oder lückenhafte Qualitätskontrolle. Moderne Systeme, die lichttechnisch optimierte und geregelte (LED-) Zeilenbeleuchtung einsetzen, haben dabei große Vorteile vor allem bei der Analyse von Farbinformationen. Die Qualität wird immer von der Wahl der richtigen Komponenten beeinflusst; bei der Bilderfassung definiert die Wahl des Beleuchtungssystems, der Optik und der Kameratechnik die resultierende Bildqualität.

Chromasens, Konstanz

QE 534